Kernwaffentechnik

Grundprinzip und Wirkung

Die Kernwaffentechnik behandelt Waffen, die ihre Explosionsenergie aus Kernspaltung oder Kernfusion gewinnen. Anders als chemische Sprengstoffe setzen sie in sehr kurzer Zeit außerordentlich große Energiemengen frei. Temperaturen im Millionen-Kelvin-Bereich verdampfen nahe Feststoffe zu heißem Gas. Dessen plötzliche Ausdehnung erzeugt zusammen mit der erwärmten Luft eine starke Druckwelle; zusätzlich entsteht intensive Hitzestrahlung.

Die Energie stammt aus der unterschiedlichen Bindungsenergie der Nukleonen, also der Protonen und Neutronen im Atomkern, vor und nach der Reaktion. Eine Kernfusion kann bis zu 14 MeV, eine Kernspaltung etwa 200 MeV pro Reaktion freisetzen. Chemische Reaktionen liegen dagegen nur im Bereich einiger Elektronenvolt; bei TNT sind es etwa 38,6 eV pro Molekül.

Bei einer Spaltungsbombe werden zunächst getrennte, jeweils unterkritische Mengen spaltbaren Materials zu einer überkritischen Anordnung zusammengefügt oder durch Implosion verdichtet. „Kritisch“ bedeutet, dass eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion möglich ist. Dabei erzeugt jede Spaltung neue Neutronen, die weitere Kerne spalten. Geeignet sind vor allem hoch angereichertes ^235U und nahezu reines ^239Pu. ^238U kann zwar durch schnelle Neutronen gespalten werden, erhält aber keine eigene Kettenreaktion aufrecht und besitzt daher keine kritische Masse. Es wird dennoch häufig als Neutronenreflektor oder Mantel verwendet.

Die Reaktion muss sehr schnell ablaufen, weil die frei werdende Energie das Material erhitzt und auseinandertreibt. Sobald die Anordnung wieder unterkritisch wird, endet die Kettenreaktion. Ein Neutronenreflektor hält Neutronen länger im Material und verringert dadurch die erforderliche kritische Masse.

Bauarten von Spaltungswaffen

Beim Kanonenprinzip wird ein unterkritischer hohler Uranzylinder auf einen ebenfalls unterkritischen Urandorn geschossen. Erst die vereinigte Anordnung überschreitet die kritische Masse. Die über Hiroshima abgeworfene Bombe Little Boy folgte diesem Prinzip. Sie enthielt 64 kg Uran mit einem ^235U-Anteil von 80 Prozent. Die kritische Masse wurde 25 cm beziehungsweise 1,35 ms vor dem vollständigen Eindringen bei einer Endgeschwindigkeit von 300 m/s erreicht. Das Verfahren galt als so zuverlässig, dass vorher kein vollständiger Test stattfand.

Für Plutonium ist das Kanonenprinzip ungeeignet: Der unvermeidbare Anteil von spontan spaltendem ^240Pu erzeugt einen hohen Neutronenhintergrund und kann eine Frühzündung auslösen, bevor die optimale Überkritikalität erreicht ist. Deshalb wurde der im Manhattan-Projekt entwickelte Entwurf Thin Man aufgegeben. Das Prinzip wird heute auch wegen des hohen Gewichts nicht mehr in Arsenalen verwendet.

Bei der Implosionsbombe liegt das spaltbare Material als unterkritische Voll- oder Hohlkugel im Zentrum. Umgebender chemischer Sprengstoff verdichtet es so stark und schnell, dass es überkritisch wird. Diese Bauart ist leistungsfähiger, nutzt den Spaltstoff besser aus und ist für Plutonium geeignet. Fat Man, die über Nagasaki abgeworfene Bombe, sowie die erste getestete Kernwaffe, das Trinity Gadget vom 16. Juli 1945, waren Implosionswaffen.

Für eine gleichmäßige Verdichtung dienen Sprengstofflinsen aus Materialien mit unterschiedlichen Detonationsgeschwindigkeiten. Sie formen mehrere auseinanderlaufende Detonationsfronten zu einer nach innen laufenden Front. Trinity und Fat Man verwendeten 32 polygonale Linsen aus Baratol und Composition B; spätere Anordnungen besaßen bis zu 92 Linsen. Das Swan Device kommt mit zwei Zündern aus und erleichtert dadurch die Synchronisation.

Zwischen Sprengstoff und Kern können weitere Schichten liegen. Reflektoren aus Beryllium oder ^238U werfen Neutronen zurück und verzögern durch ihre Trägheit die Expansion. Ein ^238U-Mantel kann die Sprengkraft um 10 bis 20 Prozent erhöhen. Eine Aluminiumschicht mittlerer Dichte verbessert die Übertragung der Stoßwelle. Beim „schwebenden Kern“ sind Teile des Spaltmaterials durch einen gasgefüllten Zwischenraum getrennt: Eine beschleunigte Schale schlägt auf den inneren Kern und stellt die überkritische Anordnung besonders schnell her. Die genaue moderne Ausführung ist geheim; veröffentlichte Zahlenwerte gelten deshalb teilweise als unsicher.

Zündung, Effizienz und Sicherheit

Der Zündzeitpunkt entscheidet über die Ausnutzung des Spaltstoffs. Zwischen der ersten Kritikalität und der späteren Rückkehr in den unterkritischen Zustand durch Expansion wächst die Kettenreaktion. Die Bethe-Tait-Energie bezeichnet die Energiemenge, ab der die Expansion des Kernmaterials deutlich beschleunigt wird. Optimal ist, wenn diese Energie ungefähr bei maximaler Überkritikalität erreicht wird.

Eine zu frühe Reaktion heißt Frühzündung. Sie kann die Anordnung auseinandertreiben, bevor viel Material gespalten wurde, und nur eine schwache „Verpuffung“ verursachen. Das Problem ist bei Plutonium wegen ^240Pu besonders wichtig. Eine zu späte Reaktion heißt Spätzündung; sie kann Explosionsort und Leistung verändern. Deshalb starten Neutronenquellen die Kettenreaktion gezielt. Frühe Systeme verwendeten getrenntes Beryllium und ^210Polonium, die beim Zünden zusammengeführt wurden; moderne Waffen besitzen externe Quellen.

Effizienz ist das Verhältnis des tatsächlich gespaltenen zum insgesamt vorhandenen Nuklearsprengstoff. Die Spaltung von 50 g ^235U entspricht 1 kT TNT beziehungsweise 4 Terajoule. In der Hiroshima-Bombe wurden von 64 kg Uran nur etwa 650 g ^235U gespalten. Ungespaltener Brennstoff, Spaltprodukte und durch Neutronen aktivierte Stoffe tragen zum Fallout bei.

Beim Kanonenprinzip begrenzt die notwendige Unterkritikalität der getrennten Teile Größe und Leistung. Implosion ermöglicht durch Verdichtung eine kleinere kritische Masse, höhere Überkritikalität und bessere Effizienz. Sie besitzt außerdem einen Sicherheitsvorteil: Nur eine genau abgestimmte Zündung an mehreren Punkten erzeugt eine Kernexplosion. Eine einzelne unbeabsichtigte Zündung führt normalerweise lediglich zur chemischen Explosion und zur Freisetzung von Spaltmaterial. Moderne Systeme können erforderliche Zeitkorrekturen erst nach Autorisierung über einen „Permissive Action Link“ bereitstellen.

Viele heutige Spaltungswaffen sind geboostet: Zwei bis drei Gramm Deuterium-Tritium-Gemisch im Kern fusionieren infolge der Spaltungsreaktion nach D + T → ^4He + n. Die Fusion liefert selbst wenig Energie, aber schnelle Neutronen spalten zusätzliches Material. Ein Gramm Tritium kann gegenüber einer ungeboosteten Konstruktion insgesamt etwa 450 g zusätzliches Plutonium zur Spaltung bringen und rund 7,5 kT zusätzliche Energie bewirken. Tritium hat eine Halbwertszeit von 12,32 Jahren und muss regelmäßig ersetzt werden. Bei vielen modernen Waffen ist die Sprengkraft einstellbar.

Fusionswaffen und mehrstufige Systeme

Eine Wasserstoffbombe nutzt eine Spaltungsbombe als erste Stufe, um Fusion von Wasserstoffisotopen auszulösen. Das frühe Classical-Super-Konzept, bei dem Deuterium oder Tritium lediglich neben oder um die Spaltungsbombe lag, funktionierte nicht ausreichend: Röntgenstrahlung durchdrang reines Deuterium weitgehend, gasförmiger Brennstoff hatte eine zu geringe Dichte, und die erste Explosion hätte ihn zu schnell zerstreut. Tritium wäre zwar reaktionsfähig, aber zu teuer gewesen.

Das Teller-Ulam-Design löst diese Probleme durch räumlich getrennte Stufen in einem Gehäuse. Röntgenstrahlung der primären Spaltungsstufe erzeugt an Gehäuse und Sekundärstufe Plasma. Dessen Druck und die Ablation der Oberfläche treiben eine Strahlungsimplosion an, die den sekundären Fusionsbrennstoff stark komprimiert und erhitzt. Ein zentraler „Spark Plug“ aus Plutonium oder angereichertem Uran wird dabei überkritisch und unterstützt die Zündung. Die zweite Stufe ist kugel- oder zylinderförmig, damit die Stoßwelle konzentriert zusammenläuft.

Als militärisch geeigneter fester Fusionsbrennstoff dient Lithiumdeuterid. Flüssiges Deuterium, wie bei Ivy Mike, erfordert aufwendige Kühlung; Tritium ist mit 12,3 Jahren Halbwertszeit instabil. Lithium erzeugt unter Neutronenbeschuss Tritium, das anschließend mit Deuterium reagiert. Wichtige Reaktionen sind ^6Li + n → T + ^4He + 4,7829 MeV und D + T → ^4He + n + 17,588 MeV. ^6Li liefert eine höhere Energieausbeute, während ^7Li für die Erzeugung vieler Neutronen in einem ^238U-Mantel günstig sein kann. Natürliches Lithium besteht aus 92,5 % ^7Li und 7,5 % ^6Li. Castle Bravo, am 28. Februar 1954 getestet, war die erste US-Bombe mit festem Lithiumdeuterid und erreichte 15 MT.

Eine zusätzliche Stufe oder ein Mantel aus ^238U kann die Leistung weiter erhöhen. Schnelle Fusionsneutronen spalten das Uran; dieses Fission-Fusion-Fission-Prinzip erzeugt jedoch besonders viel radioaktiven Fallout. Redwing Tewa erreichte am 20. Juli 1956 etwa 5 MT, davon 4,35 MT aus Spaltung. Die Zar-Bombe mit zwei Fusionssätzen erreichte etwa 50 bis 60 MT. Ihr Bleimantel begrenzte den Fallout; mit einem ^238U-Mantel wären schätzungsweise mindestens 100 MT möglich gewesen.

Das einfachere Sloika- oder Zwiebelschalen-Design umgibt eine Spaltungsstufe mit Lithiumdeuterid und Uran. Es erreicht bis etwa 700 kT, aber kein selbstständiges thermonukleares Brennen wie Teller-Ulam. Beim sowjetischen Test RDS-6s am 12. August 1953 stammten 40 kT aus der inneren Spaltung, etwa 70 kT aus Fusion und 290 kT aus der äußeren Uranspaltung. Andere untersuchte Varianten, etwa zweistufige reine Spaltungswaffen oder moderierte Uranhydrid-Waffen, blieben experimentell; die Tests Ruth und Ray von 1953 waren Fehlschläge.

Waffen mit besonderer Wirkung

Eine Neutronenwaffe ist eine kleine Fusionswaffe mit Deuterium-Tritium-Brennstoff, die auf hohe Neutronenstrahlung und vergleichsweise geringen Fallout ausgelegt ist. Der Fusionsbrennstoff liegt außerhalb der primären Spaltungsanordnung, sodass viele Neutronen entweichen können. Statt eines Uranmantels werden neutronenärmere absorbierende Stoffe wie Wolfram sowie Bauteile aus Chrom oder Nickel verwendet. Der amerikanische Sprengkopf Mk79 hatte 1 kT Sprengkraft: 0,25 kT aus Plutoniumspaltung und 0,75 kT aus Fusion.

Neutronenwaffen sollen Lebewesen durch Strahlung schädigen und relativ weniger Gebäudeschäden verursachen. „Relativ“ ist entscheidend: Etwa 30 Prozent ihrer Energie werden als Druckwelle und 20 Prozent als Wärmestrahlung abgegeben, gegenüber ungefähr 50 beziehungsweise 35 Prozent bei herkömmlichen Kernwaffen. Bei taktischen Waffen würden im Bereich tödlicher Strahlung wahrscheinlich dennoch viele normale Gebäude zerstört. Die Wirksamkeit größerer Neutronenwaffen ist umstritten, weil Wasserdampf die Strahlung besonders in feuchtem Klima dämpft. Ein weiterer geplanter Einsatz war die Raketenabwehr, etwa beim W66-Sprengkopf der Sprint-Rakete.

Eine Kobaltbombe ist eine „gesalzene“ Bombe. Neutronen verwandeln stabiles ^59Co im Mantel in radioaktives ^60Co. Dieses besitzt eine Halbwertszeit von 5,26 Jahren, sendet pro Zerfall zwei stark durchdringende Gammaquanten aus und soll ein Gebiet langfristig kontaminieren. Nach ungefähr 50 Jahren sinkt seine Aktivität auf etwa ein Tausendstel. Es ist nicht bekannt, ob jemals eine solche Bombe gebaut wurde.

Eine schmutzige oder radiologische Bombe verteilt radioaktives Material mit konventionellem Sprengstoff; es findet keine Kernreaktion statt. Ob eine Plutoniumfüllung praktisch wirksam wäre, ist umstritten: ^239Pu hat wegen seiner Halbwertszeit von etwa 24.000 Jahren eine geringe Aktivität, während kurzlebigere Isotope wie ^137Cs oder ^192Ir bei gleicher Masse deutlich aktiver sind. Der Ausdruck „schmutzige Bombe“ wurde früher außerdem für Kobaltbomben, stark fallout-erzeugende Stufen thermonuklearer Waffen und bodennah gezündete Kernwaffen verwendet.